bruit des avions

Bruit des transports aériens (science de l’aéro-acoustique)Jouad Sarah : Bruit des transports aériens (science de l’aéro-acoustique)Jouad Sarah

Contexte Européen : Contexte Européen Les objectifs européen:Aéronautique européenne : Vision 2020 et “Strategic Research Agenda” (SRA) Réduire les niveaux perçus par deux (10 EPNdB) par opération Éliminer les nuisances sonores en dehors des zones aéroportuaires Moyens: Réduire le bruit à la source Optimiser les trajectoires

OBJECTIFS ACARE 2020 : OBJECTIFS ACARE 2020

La réduction du bruit des avions : un enjeu socio-économique : La réduction du bruit des avions : un enjeu socio-économique En effet, du fait de l’augmentation continue du nombre de vols mais aussi de la capacité - et donc de la taille - des avions, le trafic aérien est en constante croissance. De par les forts niveaux sonores émis par les aéronefs en phase de décollage et d’approche, cette croissance compromet l’intégration harmonieuse de l’activité aéronautique commerciale au sein de l’environnement. C’est pourquoi avionneurs (Airbus, Boeing, etc.) et motoristes (Snecma, Rolls-Royce, etc.) se soucient de plus en plus de la réduction des émissions acoustiques de leur futurs produits.

La réduction du bruit des avions : un défi scientifique et technique : La réduction du bruit des avions : un défi scientifique et technique Si la réduction du bruit des avions est une notion claire pour tous, elle s’avère être un problème des plus difficiles. En effet, les diverses émissions sonores que produit un aéronef au décollage ou en approche font intervenir des mécanismes physiques nombreux, complexes et encore mal connus à ce jour. C’est ce qui fait de ce problème un défi à la fois scientifique et technique, prédiction et réduction des émissions acoustiques pré-supposant une compréhension fine des phénomènes impliqués.

De la compréhension du bruit des avions en vue de sa réduction : De la compréhension du bruit des avions en vue de sa réduction Des efforts d’investigation ont permis d’identifier et de quantifier les principaux phénomènes responsables des forts niveaux de bruit induits par les aéronefs en début et en fin de vol. On peut grossièrement les séparer en deux composantes : le bruit de moteurs: Au décollage, la source de bruit principale est le moteur. La bruit de cellule: En approche, le bruit aérodynamique est la source principale de bruit perçu.

Répartition des sources en approcheCas: avion bi-moteur : Répartition des sources en approcheCas: avion bi-moteur Montée, 85 % de la poussée pendant 2,2 min, Approche, 30 % de la poussée pendant 4 min,

Répartition des sources au décollage Cas: avion bi-moteur : Répartition des sources au décollage Cas: avion bi-moteur Décollage, 100 % de la poussée disponible pendant0,7 min, Roulage, 7 % de la poussée pendant 26 min.

Le mesure du bruit : Le mesure du bruit Le domaine de perception de l'oreille humaine s'étend sur une très vaste étendue de valeurs de « pression acoustique: La pression acoustique n'est guère plus qu'une ondulation sur la pression atmosphérique:  » ECHELLE DE BRUIT : Les sons audibles se situent entre (seuil d'audition) et 140 dB . Le seuil de la douleur se situe aux alentours de 120 dB .La gêne, notion subjective, est ressentie de manière très variable d'un individu à l'autre En conséquence : aucune échelle de niveau sonore objective, si élaborée soit-elle, ne peut donner une indication absolue de la gêne occasionnée

Bruit ?...Gêne ? : Bruit ?...Gêne ? Bruit : Sensibilité auditive de l’homme, notion objective de ‘plus ou moins fort’ ,Le bruit est mesuré par un sonomètre en d(B). Gêne : Impression ressentie par un homme : notion subjective de ‘plus ou moins gênant. A un niveau de bruit mesuré par un sonomètre, des travaux en laboratoire ont permis d’évaluer un niveau de gêne (en PNdB). Intensité : Niveau instantané d’un bruit ou de la sensation immédiate d’une gêne, notion de force.

DESCRIPTEURS : DESCRIPTEURS Le décibel A (dBA) :est une variante traduisant la sensibilité accrue de l’oreille aux sons médium et aiguë L’INDICE PSOPHIQUE :(L’indice de gêne sonore aéronautique utilisé actuellement en France ) Il caractérise la gêne sonore correspondant au bruit moyen perçu pendant une année en un point donné. Cet indice est construit de la façon suivante :Unité pour le bruit instantané : PNdB. (Perceived Noise Level) Descripteur d’événement : bruit crête maintenu constant pendant une minute. Durée d’exposition : 24 heures découpées en une période de jour (6h / 22h) et une période de nuit (22h / 6h) Pondérée par un facteur 10. Journée de référence; trafic moyen sur les 12 mois de l’année.

Calcul de l’indice Psophique : Calcul de l’indice Psophique Il est calculé en tenant compte des niveaux de bruit mesurés lors de la certification acoustique des appareils, en distinguant :Les mouvements nocturnes (22 heures – 6 heures). Et Les mouvements diurnes (6 heures – 22 heures). Les niveaux sonores s'additionnent de façon logarithmique d'où l'apparente complexité de la formule Li = niveau sonore maximum en PndB du ième avion de jour (6h -22 h) Lj = niveau sonore maximum en PndB du Jème avion de nuit (22h -6 h). 32 = 10 log 1440, où 1440 est égal au nombre de minutes par jour

L’indice SEL : L’indice SEL L’indice SEL prend également en compte la hausse et la baisse du son. Cet indice indique le niveau d’une poussée de bruit hypothétique d’une seconde dans laquelle est comprimée toute l’énergie sonore du véritable événement de bruit de l’avion. L’unité de mesure est le décibel A dB(A). La pondération A prend en compte la sensibilité variable de l’oreille humaine à la Fréquence sonore.

Lden : Day-EveningNight Level : Lden : Day-EveningNight Level Lden : Day-EveningNight Level Au niveau européen, la CE a récemment recommandé l’adoption de cet indice Lden:C’est une mesure du niveau de bruit moyen perçu généralement sur une journée de 24 heures. La journée de 24 heures est donc découpée en 3 périodes : 1). 12 heures de jour (day) 2). 4 heures de soirée pondérées par un facteur 5 (evening) 3). 8 heures de nuit pondérées par un facteur 10 (night)

Lden : Day-EveningNight Level : Lden : Day-EveningNight Level En résumé : C’est un indice qui montre qu’un même phénomène n’a pas la même importance le jour, la soirée ou la nuit. Des études ont montré que la valeur : 78 de l’indice psophique correspond plus ou moins à la valeur Lden 55. 69 de l’indice psophique correspond plus ou moins à la valeur Lden 50

Le sonomètre et la station de mesure: : Le sonomètre et la station de mesure: Le sonomètre est un appareil permettant la mesure du niveau sonore en décibelsLa station de mesure : Elle assure à la fois les fonctions de sonomètre, de magnétophone numérique et D’analyseur fréquentiel en temps réel. Ces mesures sont effectuées aux points Suivants : • À 2 000 mètres du seuil de piste avant l’atterrissage, Latéralement, à 450 mètres de l’axe de la piste, là où Le bruit au décollage est maximal, • À 6 500 mètres du lâcher des freins au décollage,Dans l’axe de la piste.

le niveau sonore d’un passage d’avion : le niveau sonore d’un passage d’avion En résumé ,les Quatre descripteurs principaux sont : - LAFmax ; niveau de pression acoustique maximal pondéré en fréquence et moyenné en temps, - LAE (=LE ou SEL) ; niveau d’exposition acoustique en dB(A), - LPNmax ; niveau maximal de bruit en PNdB, - LEPN ; niveau de bruit en EPNdB (Effective Perceived Noise Decibel) intégrant la durée d, d étant la durée pendant laquelle le niveau se situe au-dessus de LPNmax – 10.

.Certification acoustique : : .Certification acoustique : La certification acoustique consiste à mesurer le bruit selon des procédures très rigoureuses et reconnues par tous au plan international Ces mesures, fiables et comparables, permettent de classer les avions en fonction de leur niveau de bruit. Cette classification fait l'objet d'une norme de l'OACI (Annexe 16) qui comprend 13 chapitres . Les plus anciens d'entre eux sont dits "non certifiés"; ces avions ont en général été retirés de la circulation depuis de nombreuses années.

.Certification acoustique : : .Certification acoustique : Le "chapitre 2", adopté en 1972, concerne les avions d'un type conçu approximativement entre 1970 et 1977, comme le Fokker 28, les Boeing 707, 727 et les premiers modèles de Boeing 737 et 747; ils sont interdits en Europe depuis le 1er avril 2002; Le "chapitre 3", adopté en 1976, concerne les avions plus récents: tous les Airbus, les derniers Boeing ainsi que les versions plus récentes des Boeing 737 et 747; Le nouveau "chapitre 4", créé en 2001 pour mieux tenir compte des progrès accomplis depuis la fin des années 70, concernera tous les nouveaux types d'avions produits à partir de 2006.

.Certification acoustique : : .Certification acoustique :

Le couvre _feu : Le couvre _feu Aucun pays européen ne bénéficie d'un couvre-feu généralisé. Néanmoins : Certains aéroports possèdent des restrictions d'usage particulières. On peut citer Genève et Orly, qui jouissent d'un couvre-feu total, sans exception, et ce de 00h30 à 5h pour le premier et de 23h30 à 6h pour le second. ailleurs en Europe, pas de couvre-feu mais des restrictions d'usage qui varient selon les plates-formes.

Méthodologie d’analyse d’impact sonore : Méthodologie d’analyse d’impact sonore une démarche complète et cohérente L’AIS permet de comparer une situation sonore avant et après changement de procédure de circulation aérienne grâce à des simulations réalisées à l’aide d’outils informatiques. Le périmètre d’étude comprend les populations survolées par des avions moins de 2 000 mètres ou soumises niveau de bruit supérieur à 55 dB(A), mesuré en LAeq.

Modélisation du bruit : Modélisation du bruit La modélisation acoustique permet de visualiser de façon théorique, sous la forme de courbes de bruit, l’impact sonore généré par un trafic aérien à proximité de l’aéroport. Les modèles de bruit INM (Integrated Noise Model) constituent la référence mondiale. L’INM est un modèle mathématique standard créé par la Fédéral Aviation Administration (FAA) américaine. Il permet de calculer et de tracer des contours de bruit moyens pour un trafic donné et pour la plupart des indices en usage.

Visualisation du résultat : : Visualisation du résultat : La présentation du résultat fait appel à des Systèmes d’Information Géographique (SIG) qui permettent d’intégrer des bases statistiques de population et de compter facilement le nombre de personnes survolées avant et après un changement de procédure.

Système d'informations : Système d'informations Le système de surveillance du bruit des avions et de leurs trajectoires au voisinage de l'aéroport repose sur les stations de mesures, un serveur et des postes de consultation. Le serveur regroupe et stocke un ensemble de données Données enregistrées par les stations de mesures Données météorologiques Données radar Données de vol

Effets sur la santé : Effets sur la santé Au-delà d'un certain seuil, le bruit des avions se traduit par un sentiment de gêne et de fatigue, ou encore un manque de concentration. Il peut aussi influer sur le comportement des populations riveraines, notamment en perturbant leur sommeil.

Plan d’exposition au bruit: PEB : Plan d’exposition au bruit: PEB Pourquoi ?: Interdire ou limiter les constructions, ne pas augmenter les populations soumises aux nuisances .Le PEB anticipe à l'horizon de 10/15 ans a).Comment ?: Préparé par une procédure spécifique d'enquête publique après avis des communes concernées.Le PEB est annexé et transcrit dans le plan d'occupation des sols et autres documents d'urbanisme. b) .Quoi ?: Un rapport et une carte au 1/25 000 indiquant les zones A, B, C et D selon les nuisances sonores auxquelles elles sont exposées.

Plan d’exposition au bruit: PEB : Plan d’exposition au bruit: PEB c).Qui ?: Les aéroports devant être dotés d'un PEB sont ceux classés en catégorie A, B et C (des ministres chargés de la défense, de l'urbanisme, de l'aviation civile et de l'environnement)

meilleure compréhension des phénomènes aéro_acoustiques : meilleure compréhension des phénomènes aéro_acoustiques propagation et atténuation du bruit

Propagation géométrique : Propagation géométrique

. Le vent et la température : . Le vent et la température Outre la diminution du niveau de pression acoustique due à la propagation géométrique, un certain nombre d'autres facteurs influencent la baisse ou l'augmentation du niveau de pression acoustique .Les conditions météorologiques, plus particulièrement le vent et la température, peuvent jouer un rôle essentiel.

Analyse spectrale du bruit : Analyse spectrale du bruit C’est la classification obtenue suite à l'analyse d'un spectre acoustique relevé à partir d'essais sur turbomachines. Celle-ci montre l'existence de deux composantes : La première, étalée sur la bande de fréquences audibles allant de 20 Hz à 15 kHz, est appelée bruit large bande ou bruit de turbulence. La seconde, représentée par des pics situés à des fréquences bien spécifiques du fonctionnement de la machine, est appelée bruit à fréquences discrètes.

Absorption par l'air : Absorption par l'air L'énergie des ondes sonores qui se propagent dans l'air est en partie absorbée par la transformation des molécules d'air en énergie thermique . L'absorption du son par l'air est également tributaire de la température de l'air.

L’aéro_acoustique numérique : L’aéro_acoustique numérique Bien que les équations auxquelles satisfait le bruit du turboréacteur fussent établies par Light Hill dès 1952, les prévisions ne reposaient récemment que sur des méthodes semi empiriques, à cause de la méconnaissance des données aérodynamiques sur la turbulence au sein du moteur . Les progrès en mécanique des fluides numérique permettent d'envisager maintenant des calculs aéro_acoustiques complets Cela fournit les entrées d’un calcul du rayonnement sonore du bruit  ; diverses méthodes sont disponibles, elles sont fondées soit sur l’équation de Light Hill, soit sur l’intégrale de Kirchhoff sur une surface englobant l’ensemble des sources.

L’aéro_acoustique numérique : L’aéro_acoustique numérique Aéro-acoustique c’est l’Étude des phénomènes acoustique en présence d’un écoulement Numérique : Transformation d’un problème continu en un problème discret Avantages par rapport aux méthodes expérimentales Peut être peu onéreuse et rapide Moins de données empiriques Pas d’effets d’échelles Simulation de phénomène non « expérimentables » Limitations par rapport aux méthodes expérimentales Résultats sensibles aux modèles et aux méthodes numériques choisis Précision des résultats dépend de paramètres parfois difficiles à contrôler

L’aéro_acoustique numérique : L’aéro_acoustique numérique Etapes :

Modèle et Équations : Modèle et Équations a)Équations de conservation de la mécanique des fluides (Modèle de Navier-Stokes)

Équations d’Euler linéarisées : Équations d’Euler linéarisées Négligence des termes visqueux et de la conduction thermique Tenseur des contraintes se réduit à la pression Équation de l’énergie se réduit à une relation d’isentropie

Sources aéro_acoustiques : Sources aéro_acoustiques Équations d’Euler linéarisées + milieu au repos ->Équation d’onde Sources mono_polaires Sphère pulsante dont le rayon tends vers 0 Fluctuation de débit de masse Sources aéro_acoustiques Sources dipolaires Composées de deux monopoles en opposition de phase Correspond à une fluctuation d’effort (interaction écoulement - obstacle)

Sources aéro_acoustiques : Sources aéro_acoustiques Sources quadripolaires Composées de deux dipôles en opposition de phase Correspond aux sources créées par la turbulence (bruit de jet) Importance relative des sources : A faible vitesse (10 – 50 m/s) : monopôle > dipôle > quadripôle A haute vitesse (200 – 300 m/s) : quadripôle > dipôle monopôle

Analogie Acoustique de Light Hill : Analogie Acoustique de Light Hill • Réarrangement des équations de Navier Stokes : c’est le point de départ. • Les sources sont confinées dans une zone donnée • Propagation en milieu au repos

discrétisation et simulation : discrétisation et simulation a).Discrétisation du problème : Définition du maillage = découpage du domaine d’étude en petits morceaux fini  . Définition des conditions aux limites= Condition de Dirichlet ou Neumann .En acoustique = problèmes de réflexion des ondes sur le frontières. b). Calcul du champ de perturbation à l’aide d’un calcul CFD Choix de la méthode de discrétisation Choix de la méthode de résolution du problème discret

Propagation des perturbations : Propagation des perturbations calcul des perturbations acoustiques : RANS : Reynolds Averaged Navier Stokes Équations de Navier Stokes moyennées en temps Modélisation de la turbulence dans son intégralité

Slide 44 : Conclusion : i) Discipline au carrefour de plusieurs domaines : Aérodynamique Acoustique Analyse numérique ii) Progrès importants réalisés ces dernières années grâce aux avancées en calcul CFD iii) Développement d’approches ouvrant de nouveaux Champs de recherches inaccessibles auparavant Conjointement à l’expérimentation

Origine des bruits des moteurs : Origine des bruits des moteurs Le bruit émis par le turboréacteur de forte poussé pendant l’atterrissage et le décollage est considérable. L’utilisation de ces moteurs pour les avions commerciaux a obligés les constructeurs de concevoir des dispositifs atténuateurs de bruit.

Principe du turboréacteur : Principe du turboréacteur a)turboréacteur classique : Le turboréacteur est une machine thermopropulsive utilisant l’air ambiant. Il utilise le principe de la réaction qui fait naître une force de poussée en sens opposée de l’accélération de l’air i).Un compresseur qui augmente la pression de l’air . ii).Une chambre de combustion qui brûle un mélange gazeux air/carburant afin d’élever l’énergie du fluide. iii).un canal d’éjection qui augmente la vitesse du fluide.

Principe du turboréacteur : Principe du turboréacteur Donc le poussée du turboréacteur est obtenue par l’accélération des débits d’air (secondaire +primaire propulsif) qui subissent le cycle aérodynamique : Compression+combustion+détente.

Principe du turboréacteur : Principe du turboréacteur Réacteurs double flux : Principe de fonctionnement :Lors du passage au niveau de la soufflante, une partie de l’air suit le trajet habituel et va dans la chambre de combustion .Une autre partie de l’air est dirigée dans des conduits qui entourent la chambre de combustion et les turbines, et ressort à l’arrière du réacteur en restant à basse température.

Evolution du bruit des avions: : Evolution du bruit des avions: a) Evolution temporelle

Evolution technique : Evolution technique

bruit de jet : bruit de jet définition : le bruit de jet qui est émis à l’arrière du réacteur. Sources quadripolaires Correspond aux sources créées par la turbulence Vitesse d’éjection : La vitesse d’éjection est de l’ordre de 880 m/s, permet d’obtenir la poussée nécessaire au prix d’une augmentation du niveau de bruit.. ainsi que les ondes de choc qui apparaissent dans le jet

le bruit de jet dus à l’interaction turbulence avec l’air ambiant : le bruit de jet dus à l’interaction turbulence avec l’air ambiant La pénétration dans l’atmosphère, du jet gazeux animé d’une très grande vitesse, provoque des turbulences (causes de bruit). A la sortie de la buse d’éjection et sur une distance évaluée à environ 10 fois le diamètre de la section de sortie ,les gaz sont animés d’une très grande vitesse et il y as peu de mélange avec l’atmosphère ,les remous engendrés sont rapides mais de faible amplitude,le bruit qui en résulte est de haute fréquence. ( Le bruit de jet est un bruit à large bande, sa directivité est maximale à l'arrière et il est fonction croissante de D2V8, D étant le diamètre de la tuyère et V la vitesse d'écoulement du jet. )

le bruit de jet dus à l’interaction turbulence avec l’air ambiant : le bruit de jet dus à l’interaction turbulence avec l’air ambiant La vitesse de jet diminue ensuite et la dilution avec l’air atmosphérique augmente .L’amplitude des turbulences s’accentue, le bruit engendré est de fréquence de plus en plus basse. L’énergie du jet de gaz est finalement dissipée en large turbulence .Suivant la fréquence de l’onde sonore, un même volume (nombre de décibels) de bruit se propage a des distances différentes .Plus la fréquence est basse, plus le bruit se transmet loin

Réduction de la zone de bruit : Réduction de la zone de bruit Pour réduire le zone de bruit, il est préférable de favoriser la dilution lorsque le gaz est animé d’une grande vitesse au détriment de la dilution à basse vitesse d’écoulement. Pour cela, pendant que le jet est animé d’une grande vitesse, il faut augmenter le plus possible la surface de contact entre les gaz éjectes et l’air ambiant.

Les atténuateurs de bruit : Les atténuateurs de bruit Le jet cylindrique n’est pas recommandé ; il faut par exemple le déformer et le deviser par des buses à lobes ou par des <>. Les inconvénients :Les atténuateurs de bruit ont pour inconvénient d’augmenter le poids du réacteur et de diminuer la poussée (1 a 3 % du aux pertes par frottement).

Les turboréacteurs double flux : Les turboréacteurs double flux Ces dispositifs n’étaient plus sur les turboréacteurs double flux qui ont pour avantage d’avoir de forte poussée pour des vitesses d’éjection plus faibles que celles d’un moteur simple_ flux. De plus ,les gaz chauds du flux primaire sont partiellement dilués par les gaz du flux secondaire. parce que le développement des réacteurs à simple flux (Caravelle) où le jet était la source prépondérante d’un bruit de spectre continu, la deuxième génération de propulsion, dite à double flux, a permis une diminution très sensible du bruit total (-8 PNdB).

Les turboréacteurs double flux : Les turboréacteurs double flux Les moteurs double flux seront équipés de tuyères à lobes et à flux mélangés avec le canal d’éjection secondaire afin de diminuer les bruits des gaz d’éjection (CFM 5665 de l’ A 340 et GE 90 du 777)

LE TAU DE DILUTION  en subsonique: : LE TAU DE DILUTION  en subsonique: Il est indispensable de diminuer la vitesse d’éjection pour obtenir des niveaux de bruit compatibles avec les normes acoustiques. Bien évidemment, pour obtenir la même poussée au décollage il faut augmenter le débit masse éjecté. Ce débit doit être d’autant plus grand que la vitesse est réduite. Dans le cas des avions subsoniques ceci peut être réalisé en augmentant le taux de dilution( en augmentant le débit masse qui passe dans la soufflante et qui est éjecté à faible vitesse) Les moteurs utilisés pour les avions subsoniques récents ont des taux de dilution élevés, de l’ordre de 4 à 9 (le débit qui passe par la soufflante est 4 à 9 fois plus grand que celui qui passe par le moteur chaud).

LE TAU DE DILUTION  en supersonique : LE TAU DE DILUTION  en supersonique Il n’est pas possible d’envisager des taux de dilution aussi élevés sur avion supersonique. Il faut cependant pouvoir réduire la vitesse d’éjection au décollage et la ramener à des valeurs inférieures à 400 m/s. Une partie du problème du bruit est donc très intimement associée au choix du cycle moteur, c’est-à-dire à la formule adoptée pour assurer la propulsion. Il s’agit d’assurer les performances nécessaires au décollage et en subsonique puis permettre le vol de croisière en supersonique. Le cycle moteur conditionne ainsi très largement l’efficacité acoustique du système(dans les paragraphes suivantes )

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